Расчет радиотелевизионной аппаратуры

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ РАДИОТЕЛЕВИЗИОННАЯ АППАРАТУРА

• Введение
• 1. Предварительный расчет
• 1.1 Выбор промежуточной частоты
• 1.2 Определение числа поддиапазонов
• 1.3 Выбор параметров избирательной системы тракта радиочастоты
• 1.4 Выбор избирательной системы тракта промежуточной частоты шгнр
• 1.5 Определение числа каскадов тракта радиочастоты и определение усилителя по каскадам
• 1.6 Выбор типа транзисторов для каскадов радиотракта
• 1.7 Выбор схемы автоматической регулировки усиления (АРУ)
• 1.8 Предварительный расчет УНЧ (УЗЧ)
• 1.9 Разработка структурной схемы приемника
• 2. Оконечный расчет электронного УВЧ
• 2.1 Расчет энергетического режима
• 2.2 Расчет колебательной системы автогенератора
• Список сокращений
• Литература

Изобретение радиосвязи — одно из самых выдающихся достижений человеческой мысли и научно-технического прогресса. Потребность в совершенствовании средств связи, в частности установлении связи без проводов, особенно остро проявилась в конце XIX в., когда началось широкое внедрение электрической энергии в промышленность, сельское хозяйство, связь, на транспорте (в первую очередь морском) и т. д.

Талантливый ученый и экспериментатор, профессор Александр Степанович Попов, создавший первый в мире практически пригодный радиоприемник, и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони, сумевший при поддержке крупнейших британских промышленников и видных специалистов осуществить радиосвязь через океан на расстояние 3500 км.

Изобретение радиосвязи было бы невозможно без фундаментальных исследований электромагнитных волн Д. К. Максвелла и Г. Герца. В 1888 г. Герц создал вибратор и резонатор электромагнитных волн, подтвердив на практике теоретические выводы Максвелла.

Радиовещание — это передача населению по радиоканалам разнообразной информации, осуществляемая посредством совокупности технических средств электросвязи. Системы радиовещания должны обеспечивать возможно более полную передачу всего комплекса ощущений, свойственных естественному слушанию, пространственного впечатления, прозрачности и раздельности звучания, естественности тембров музыкальных инструментов и голосов, музыкального равновесия отдельных элементов сложного звукового образа.

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций — генерации электромагнитных колебаний высокой частоты или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприёмные и различные вспомогательные устройства. При проектировании задают параметры, которым должен удовлетворять радиопередатчик. Основными из них являются выходная мощность на рабочей частоте или в диапазоне частот; относительная нестабильность частоты; вид и параметры модуляции.

Одним из основных направлений развития современной бытовой приемно-усилительной аппаратуры является её миниатюризация, которая позволит реализовать нарастающую сложность стационарных приемников высоких групп сложности и является базой для широкой номенклатуры моделей с автономным питанием — автомобильных, переносных, миниатюрных.

В диапазонах коротких волн применяют амплитудную модуляцию, где верхняя частота модулирующего сигнала не должна превышать 4,5 кГц. Несмотря на то что ширина спектра радиосигнала может иметь значение 9…20 кГц, принято считать разнос между несущими частотами рядом расположенных станций равным 10 кГц для диапазонов КВ.

1. Предварительный расчет

1.1 Выбор промежуточной частоты

Т.к. промежуточная частота не задана, то её выбирают исходя из следующих соображений:

промежуточная частота fпр не должна лежать в диапазоне частот приемника или находиться близко от границ этого диапазона;

для хорошей фильтрации промежуточной частоты на выходе детектора она должна не менее чем в 10 раз превышать входную частоту модуляции (fпр?10Fв);

с увеличением промежуточной частоты увеличивается избирательность приёмника по зеркальному каналу, но одновременно уменьшается избирательность по соседнему каналу и уменьшается коэффициент усиления на каскад за счет уменьшения резонансного сопротивления контуров УПЧ;

для получения высоких значений избирательности по зеркальному и соседнему каналам применяется двойное преобразование частоты. В этом случае первую промежуточную частоту выбирают возможно больше, а вторую возможно меньше.

В зависимости от вида принимаемых сигналов значение промежуточной частоты выбирают из следующего ряда:

110 кГц; 215 кГц; 465 кГц; 500 кГц; 900 кГц; 1,6 МГц; 6,5 МГЦ; 8,4 МГц; 10,7 МГц; 18,5 МГц; 21,4 МГц; 30 МГц; 35 МГц; 60 МГц; 100МГц.

Для радиовещательных АМ приемников рекомендовано использовать частоту f_пр=465кГц. На эту частоту промышленность выпускает большой набор монолитных пьезокерамических фильтров.

Я исходя из этого, выбираю промежуточную частоту fпр=465кГц.

радиотелевизионная аппаратура усилитель каскад

1.2 Определение числа поддиапазонов

Количество поддиапазонов приемника диктуется заданным диапазоном частот.

Исходя из граничных частот, находим коэффициент диапазон

(1)

где fmax, fmin — максимальная и минимальная частоты заданного диапазона.

(кГц)

Т.к. мой коэффициент меньше 3, то для моего приемника достаточного иметь один поддиапазон.

1.3 Выбор параметров избирательной системы тракта радиочастоты

Избирательная система тракта радиочастоты обеспечивает селективность приемника по зеркальному каналу и частично ослабляет соседний канал и канал промежуточной частоты.

Входные цепи приемника и УРЧ (УВЧ) образуют преселектор, который и ослабляет зеркальный канал.

Эквивалентная добротность контуров преселектора Qэ должна быть рассчитана так, чтобы контура преселектора удовлетворяли одновременно двум условиям:

обеспечивали селективность по зеркальному каналу Sезк;

имели полосу пропускания не менее заданной;

При расчете с n=1, условие Qэзк>Qэ>Qэп не выполняется, поэтому принимаем n=2.

1. Из условия обеспечения селективности по зеркальному каналу на максимальной частоте диапазона, по формуле:

(2)

где n — число контуров преселектора;

Sезк — заданная селективность по зеркальному каналу (раз).

Qезк = 24,2 (дБ)

2. Из условия обеспечения заданной полосы пропускания, на минимальной частоте диапазона (fmin — наихудшие условия)

(3)

где 2? F=2 (FB+?fсопр+?fr) — необходимая полоса пропускания тракта радиочастоты;

FB-верхняя частота модуляции (FB=Fmax, а для телеграфных приемников используется ширина спектра телеграфного сигнала FB=0,2 кГц);

?fсопр — ошибка сопряжения настройки контуров преселектора и гетеродина.

Для моего диапазона КВ буду принимать? fсопр = 10 кГц;

?fr max= (0,5ч1,0) •10−3•frmax — возможное отклонение частоты гетеродина.

Где fr max = fmax+fпр; fr max = 12•103 +465=12,4 (МГц)

Нахожу 2? F:

2?F=2 (FB+?fсопр+?fr) =2• (5 + 10 + 12,4) = 2 • 27,4 = 54,8;

Мк — коэффициент частотных искажений контура.

Для КВ, Мк=0,9 (МГц)

Qэп= 27,6 (дБ);

3. Искомую величину добротности, определяем из условия:

Qэзк>Qэ>Qэп (4)

27,6 >25>24,2

4. Определяем селективность тракта по соседнему каналу преселектора:

(5)

где ?f — расстройка соседнего канала, ?f=10кГц;

Sеск=0,2 (дБ)

5. Определяем селективность канала промежуточной частоты контурами преселектора:

(6)

где n-число контуров преселектора;

;

Sепр=25,1 (дБ);

Т.к. у Sепр меньше чем заданное, то в преселекторе применяем либо «фильтр-пробку», либо «фильтр-дырку» для того чтобы обеспечить заданное ослабление канала промежуточной частоты.

Рассчитываем индуктивность катушки фильтра:

(7)

Емкость Cф выбираю 200 пФ

.

1.4 Выбор избирательной системы тракта промежуточной частоты шгнр

Избирательная система тракта промежуточной частоты обеспечивает селективность приемника по соседнему каналу за счет включения в тракт фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), пьезокерамических фильтров (ПКФ), электромеханических фильтров (ЭМФ), кварцевых фильтров.

Значение селективности Sеск, по которому рассчитываем избирательную систему тракта промежуточной частоты, определяем исходя из 15ч20% (в относительных единицах). Это позволяет обеспечить заданную селективность с учетом возможной неточности сопряжения контуров.

Расчетная селективность тракта промежуточной частоты определяем формулой:

; (8)

где, Sеск зад — заданное значение селективности;

Sеск пр — селективность по соседнему каналу преселектора.

Sеск=27,3 (дБ)

Таблица 1

Основные параметры пьезокерамических фильтров начастоте 465 кГц

После выбора из таблицы фильтра — ФП1П-0,25 необходимо оценить полученную селективность по соседнему каналу. Она с некоторым запасом должна обеспечивать выполнение требований технического задания.

Ослабление одного каскада УПЧ с резонансным контуром определяется по формуле:

; (9)

где ?f — расстройка соседнего канала

Qэпч — эквивалентная добротность контура ПЧ.

;

Sеск1=0,08 (дБ) Для проверки определяем общую селективность по соседнему каналу всеми контурами приемника:

(10)

где Sеск фсс — фильтра, выбранная по таблице;

Sеск пр — из формулы (5)

Общее ослабление должно быть больше заданного

Sеск общ>Sеск зад

31,08 > 20.

1.5 Определение числа каскадов тракта радиочастоты и определение усилителя по каскадам

Каскады радиочастоты приемника расположены между антенной и входом детектора определяют чувствительность приемника. Они должны обеспечить усиление сигнала, наведенного в антенне, до уровня, достаточного для нормальной работы детектора.

Тип детектора выбирается в зависимости от вида сигнала, на которой рассчитан приемник, а тип полупроводникового диода детектора выберем из справочника.

Таблица 2

Характеристики определенных типов детекторов

Определяем общий коэффициент усиления радиотракта приемника от антенны до входа детектора, для приемника с внешней антенной:

(11)

где Еа — заданная чувствительность.

Таблица 3.

Ориентировочная величина усиления одиночных каскадов приемника

Общий коэффициент усиления выражается формулой:

(12)

.

1.6 Выбор типа транзисторов для каскадов радиотракта

Электрический расчет каскадов УВЧ, преобразователя и УПЧ осуществляется на основе Y — параметров транзистора. Y — параметры транзистора либо берут из справочников, либо рассчитывают по известным формулам, отражающих зависимость Y — параметров от низкочастотных h — параметров.

Таблица 4.

Основные параметры распространенных ВЧ транзисторов.

Ввиду того, что параметры транзисторов зависят от частоты, выбор конкретного типа транзисторов определяется его частотными свойствами, которые оценивают коэффициентом частотного использования транзистора:

(13)

где fmax — максимальная частота, на которой в схеме работает транзистор;

fY21Э — предельная частота транзистора, на которой усиление в схеме с ОЭ снижается на 3 дБ (1,41 раза), по сравнению с усилением на НЧ;

Определяем вспомогательный коэффициент:

(14)

где fгр — граничная частота усиления транзистора по току.

так как коэффициент, а?0,3; b?0,1, параметры выбранного транзистора S, С11, С22 практически не зависят от частоты, и выбор транзистора следует считать правильным.

1.7 Выбор схемы автоматической регулировки усиления (АРУ)

В транзисторных приемниках применяются следующие способы АРУ:

§ изменение режима питания транзисторов по постоянному току;

§ изменение величины отрицательной обратной связи;

§ изменение эквивалентного сопротивления нагрузки.

Изменение режима питания транзисторов по постоянному току сопровождается изменением кривизны характеристики S, входного R11 и выходного R22 сопротивления, входной С11 и выходной С22 ёмкостей. Таким образом, одновременно с изменением коэффициента усиления регулируемого каскада под влиянием изменения крутизны, сопротивлений и ёмкостей транзистора происходит рассогласование регулируемого каскада усилителя с предыдущим и последующим каскадами, с нагрузкой, а также расстройка входной и выходной резонансных цепей.

В связи с этим в транзисторных приемниках в основном в качестве регулируемых каскадов используются апериодические (резонансные) или широкополосные каскады УПЧ, где слабее влияние изменения параметров транзисторов на характеристики каскадов. Однако из-за малой величины связи транзистора с резонансными цепями и соседними каскадами влиянием изменения согласования, а также расстройкой резонансных цепей в процессе регулирования практически можно пренебречь. Этим и обусловлено большое распространение схемы АРУ изменением режима питания в радиовещательных транзисторных приемниках.

Рассмотрим методику определения необходимого числа регулируемых каскадов. Исходными данными для расчета АРУ являются:

q — изменение входного напряжения в антенне приемника:

р — изменение входного напряжения:

Величина q характеризует изменение ЭДС несущей частоты в антенне, величина q определяет допустимое изменение выходного напряжения при изменение ЭДС в антенне в q раз. Обычно величина q лежит в пределах 20ч105, а величину p выбирают в пределах 1,4ч4

1. Для транзисторных приёмников изменение усиления на один регулируемый каскад практически можно принять

VT1=10 раз (15)

2. Требуемое изменение коэффициента усиления приёмника под действием АРУ определяется:

(16)

3. Считая, что все регулируемые каскады одинаковы, необходимое число регулируемых каскадов определяется:

(17)

1.8 Предварительный расчет УНЧ (УЗЧ)

В качестве УНЧ приемника выбираем микросхему, обеспечивающую заданные параметры.

1. Определяем напряжение на выходе детектора приемника

(18)

где Umg — амплитуда напряжения на выходе детектора, В;

КД — коэффициент передачи детектора.

2. Микросхема выбирается по справочнику исходя из условий: выходная мощность микросхемы должна быть больше или равна заданной мощности Pвых и коэффициента гармоник.

(19)

где UВХ. М — напряжение на выходе микросхемы, В;

UВЫХ.М. — напряжение на выходе детектора, В.

Выбрал микросхему ИМС К174УН9: 0,24>0,12

1 — питание +Uи.п.;

4 — вольтодобавка;

5 — коррекция;

6 — обратная связь;

7 — фильтр;

8 — вход;

9 — общийUи.п.;

10 — вход датчика тепловой защиты нижнего плеча выходного каскада;

11 — вход датчика тепловой защиты верхнего плеча выходного каскада;

12 — выход.

Рис. 1. Корпус и типовая схема включения ИМС 174УН9

1.9 Разработка структурной схемы приемника

В результате предварительного расчета приёма, имеем:

1) Количество контуров входной цепи — 2;

2) Количество контуров входной УВЧ (УРЧ) — 1 резонансный;

3) Тип избирательной системы преобразователя — автодинный;

4) Количество контуров УПЧ 1 — апериодический, 2 — резонансных;

5) Количество каскадов УПЧ — 3;

6) Тип транзисторов каждого каскада радиочастоты КТ 368А;

7) Тип микросхемы К174УН9;

8) АРУ охватывает 1 каскад.

Используя эти данные, составляем полную структурную схему приемника (рис.2)

Рис. 2. Структурная схема приемника

2. Оконечный расчет электронного УВЧ

2.1 Расчет энергетического режима

2.1.1 Выбираем угол отсечки тока коллектора к=90?. По таблицам А. И. Берга находим коэффициент разложения. б0=0,32; б1=0,43.

2.1.2 Задаем КПД контура: зk=0,1

2.1.3 Находим полную мощность генерируемого колебания:

(1)

2.1.4 Руководствуясь «Рекомендациями по выбору транзисторов высокочастотных каскадов» приложения и справочными данными выбираем транзистор ГТ308 В. По статическим характеристикам определяем крутизну линии критического режима Sкр=40мА/В; напряжение отсечки Uотс=-0,1 В.

2.1.5 Определяем коэффициент использования напряжения питания коллектора:

(2)

где Uк. э — постоянное напряжение питания между коллектором и эмиттером транзистора.

.

2.1.6 Определяем амплитуду напряжения на нагрузке в коллекторной цепи:

(3)

2.1.7 Вычисляем амплитуду первой гармоники тока коллектора:

(4)

2.1.8 Найти модуль эквивалентного сопротивления нагрузки генератора:

(5)

2.1.9 Вычислить амплитуду импульса тока коллектора:

(6)

2.1.10 Находим постоянную составляющую тока коллектора:

(7)

2.1.11 Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторного питания:

(8)

2.1.12 Рассчитать мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:

(9)

где Pa — активная составляющая мощности генерируемых колебаний

Параметры b21, g21 определяется на основании справочных данных для Y — параметров при заданных значениях тока I0к и частоты fr. При этом должно выполняться условие Pк? Pк. доп.

Находим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:

2.1.13 Определяем угол отсечки тока эмиттера:

(10)

2.1.14 Рассчитываем амплитуду напряжения возбуждения на базе транзистора:

(11)

где |Y21| - модуль крутизны транзистора при токе I0к и частоте fГ.

2.1.15 Находим напряжение смещения, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера,

(12)

где UОТС — напряжение отсечки;

2.1.16 Определить коэффициент обратной связи

(13),

2.2 Расчет колебательной системы автогенератора

2.2.1 Находим эквивалентную проводимость контура между точками коллектор — эмиттер:

(14)

2.2.2 Рассчитать коэффициенты включения контура:

(15)

где g11 — входная проводимость транзистора генератора (определяется по справочным данным при Iк=I0к, f=fГ); g0= 2р fГ Cэ dк; Cэ — эквивалентная емкость контура (обычно выбирается в пределах 50−500 пФ); dк= (0,01ч0,005) — собственное затухание ненагруженного контура.

Определяем коэффициенты включения контура: задавшись значениями dк=0,01; Cэ =50 пФ.

Найдем g0=2•3,14•30•106•50•10−12•0,01=0,1 мСм;

2.2.3 Вычислить собственную емкость контура

(16)

где См-емкость монтажа (4ч5пФ).

2.2.4 Найти полную индуктивность контура

(17)

2.3 Расчет элементов цепи питания

2.3.1 Находим сопротивление резистора в цепи эмиттера:

(18)

2.3.2 Определяем сопротивления резисторов делителя базового смещения

(19)

(20)

Здесь IД= (0,2ч0,5) I0к — ток, протекающий через делитель R1, R2.

Рис. 3. Эквивалентная схема колебательной системы автогенератора с автотрансформаторной обратной связью.

Список сокращений

А — антенна;

АД — амплитудный детектор;

ВЦ — входная цепь;

КВ — короткая волна;

ПКФ — пьезокерамический фильтр;

Г — гетеродин;

Д — детектор;

ПЧ — преобразователь частоты;

См — смеситель;

УНЧ — усилитель низких частот;

УПЧ — усилитель промежуточной частоты;

УРЧ — усилитель радиочастоты;

1. Н. В. Бобров «Расчет радиоприемника», М., Радио и связь, 1981.

2. В. Ф. Баркан, В. Н. Жданов «Радиоприемные устройства», Советское радио, 1978.

3. О. В. Головин, «Радиоприемные устройства» Москва, Горячая линия — Телком, 2002.

4. «Полупроводниковые приборы». Справочник под общей редакцией Н. Н. Горюнова, М., Энергоатомиздат, 1985.